Aja õigsusest ja Metroserdi kodulehel kuvatavast kellaajast

 

Aastatuhandeid on inimeste jaoks olnud stabiilseimateks aja arvestuse ühikuteks tund ja ööpäev, mis tulenevad Maa pöörlemisest ümber oma telje ja Maa tiirlemisest ümber Päikese. Juba mõnisada aastat enne meie aega (aga võib-olla ka veidi varem) oli teada, et Maa keerleb võbisedes ümber oma telje (ehk pretsesseerib) nagu aeglustuv vurrkann. See võrdlus ei olegi päris kohatu, sest Maa pöörlemine ümber oma telje aeglustub: 500-600 miljonit aastat tagasi olevat ööpäev kestnud 21 tundi meie tänapäevase arusaama järgi.

 

Pärast mehaanilise kella leiutamist ja kasutusele võtmist 1656. aastal sai võimalikuks minuti lahutusega ajakulu arvestamine ning hoogustus kellade täiustamine.

 

1955. aastal valmis Louis Essen’i juhtimisel Suurbritannia metroloogia instituudis (The National Physical Laboratory, NPL) maailma esimene töötav tseesiumi aatomkell, millega sillutati tee uuele ja täpsemale sekundi definitsioonile, mis põhines aatomite põhiomadustel.

 

Tänapäeval kasutatakse erinevat tüüpi aatomkellasid, mis töötavad mitmesugustel põhimõtetel raadiosagedusega kiirguse ergastamisel:

  • Cs-aatomite kimbu teekonna pikendamine ja liikumise kiiruse aeglustamine nn purskkaevu meetodiga;
  • ioonide kogumine elektrostaatilise välja abil (ion trap). Mõned riigid, näiteks Suurbritannia ja Ameerika Ühendriigid kasutavad ioonide lõksustamisel põhineva aatomkella arendamises ainet strontsium, kuna selle ioonid on väga stabiilsed.

Kasutatavate aatomkellade täpsus ulatub võimaliku hälbeni 1 sekund 300 miljoni aasta jooksul.

 

21. sajandi uut tüüpi kellade arendused käivad aatomite (optilised kellad) ja ioonide (kvantkellad) jahutamisel optilise kiirgusega juba teiste ainete – Al, Be, Hg, In, Mg, Yb osakesi kasutades.

 

Ülemaailmselt kasutatava ajaskaala moodustamisel on kaks põhikomponenti: rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi (SI) ajaühiku – sekundi - esitamine ning ajaskaala regulaarne võrdlemine tugisuurusega.

 

„SI ühe põhiühiku - sekundi - määratlus: sekund on võrdne 133 Cs aatomi põhiseisundi kahe ülipeen(struktuuri)-nivoo vahelisele üleminekule vastava kiirguse 9 192 631 770 perioodi kestusega”. [1],[2]

 

Tugisuurusena kasutatakse tänapäeval Rahvusvahelist Aatomaega (International Atomic Time, TAI), mille arvutab välja Rahvusvahelise Kaalude ja Mõõtude Büroo (BIPM) aja osakond. TAI arvutustes kasutatakse üle 230 nn tseesiumi (Cs) aatomkella andmeid, mida regulaarselt saadavad BIPM’ile 65 asutuse laborid.

 

Rahvusvaheline aatomaeg on sõltumatu skaala. Praktilistes kasutustes vajatakse aga ajaskaalat, mis on seotud öö ja päevaga ning nende vaheldumisega ehk Maa pöörlemisega ümber oma telje. Selleks võeti 01.01.1972 vastu Koordineeritud Universaalaeg (Coordinated Universal Time, UTC), mis seotakse TAI-ga Maa pöörlemise ebaühtlust arvestava ajaintervalli (leap-second) lisamisega. Igal aastal toimub Rahvusvaheline Maa Pöörlemise ning Tugisüsteemide Teenistuse (International Earth Rotation and Reference System Service) koosolek, millel otsustatakse lisatava ajaintervalli pikkus.

 

Koordineeritud Universaalaega edastavad globaalse jälgimise süsteemi (Global Positioning System, GPS) kuuluvad satelliidid. Neid on Maa-lähedastel orbiitidel tiirlemas üle kahekümne. Tehiskaaslased saavad edastatava signaali USA mereväe observatooriumi (US Naval Observatory, USNO) Cs-generaatorilt. USNO Cs-aatomkell on pidevas võrdluses Ameerika Ühendriikide metroloogiainstituudi (National Institute for Standards and Technology, NIST) aja primaaretaloniga. NIST omakorda on üks nendest 65-st asutusest, kes panustavad TAI ning UTC moodustamisse.

 

Tagatav metroloogiline jälgitavus (ehk seostatus) Koordineeritud Universaalaja skaalani näeks välja järgmiselt:

 

 

 

Ka Eesti jaoks on oluline omada kellaaega, mis on ühtne ülemaailmse Koordineeritud Universaalajaga. Tänasel päeval ei ole Eestis oma Cs-aatomkella ning me ei kuulu nende 65 asutuse hulka, kes osalevad TAI ja UTC moodustamises.

Lihtsana näib võimalus püüda kinni GPS-signaal ning sünkroniseerida oma süsteem sellelt saadava 1-sekundilise ajaintervalli järgi. Kuid ei tohi unustada, et iga programmijupi või raudvara lisamine GPS-vastuvõtja ning oma süsteemi vahele, vähendab saadava signaali täpsust. Sellest on tingitud näiteks raadiojaamade nn “täistunnipiiksude” ajalised erinevused.

 

Samuti “ujub” GPS-signaal turvalisuse kaalutlustel ±1 µs piires, millest võib vabaneda vaid pikaajalise vaatluse tulemusel.

 

Kõiki selliseid ohte on Metrosert arvestanud oma kodulehel täpse kellaaja kuvamise süsteemi ülesehitusel. Saadava GPS-signaaliga sünkroniseeritakse meie aja ja sageduse laboris asuvat rubiidiumil (Rb) põhinevat sagedusgeneraatorit, mis töötab sagedusel 5 MHz. Sünkroniseerimise tulemusel sünnib kindla perioodiga sagedus, millest moodustatakse sageduse jagaja abiga 1-sekundiline ajaintervall. See kõik toimub suhtelise täpsuse 10-11 tasemel arvuti programmilisel toel. Tulemuseks on Metroserdi kodulehel kuvatav jooksev kellaaeg täpsusega ehk määramatusega ±0,1 s. Sellega tagab Metrosert kui Eesti metroloogia keskasutus ülemaailmse ajaskaala kohaliku esituse usaldusväärsuse.

 

Seega alati, kui on soov kontrollida, mis kell on või kas oma kell on täpne, tasub külastada Metroserdi kodulehte, kus avalehe üleval paremas nurgas on 24/7 esitatud meie teada Eesti usaldusväärseim kellaaeg.

 

AS Metrosert

www.metrosert.ee

 

[2] “Rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi (SI) põhiühikud, nendest tuletatud ühikud, nende kord- ja osaühikud ning rahvusvaheliselt kehtestatud lisaühikud ja nende kasutamise viis”, RT I 2009, 64, 438, Vabariigi Valitsuse 17.12.2009 määrus nr 208.